노벨상

노벨상 성과에 투자하기 – 파란빛 LED 다이오드가 미래를 밝히다

게시일 2024년 7월 15일

업데이트일 2026년 7월 31일

작성자

Jonathan Schramm

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평범한 혁명

일부 물리학 노벨상은 블랙홀(2020)부터 아원자 입자(2013), 우주 팽창(2011)까지 우리 우주에 대한 근본적인 이해의 혁신에 수여됩니다. 다른 수상은 겉보기에 더 “평범한” 발견이지만, 인류 문명에 미칠 지속적이고 급진적인 영향 때문에 충분히 수상할 가치가 있습니다.

2014년 노벨상은 이사무 아카사키, 히로시 아마노, 그리고 나카무라 슈지가 청색 발광 다이오드(LED)를 발견한 공로로 수여된 사례 중 하나입니다.

빨강, 노랑, 초록빛을 방출할 수 있는 LED는 LED 기술이 발명된 이래 알려져 왔습니다. 그러나 백색광을 만들기 위해서는 필요에 따라 청색광을 방출해야 하는데, 이는 달성하기 어려웠습니다.

올바른 종류의 빛

양자 에너지

LED에서 청색광을 생산하기 어려운 이유는 LED 다이오드의 근본적인 물리학에 있습니다.

LED는 양자 물리학 원리 덕분에 빛을 생성합니다. 양자 물리학을 단순화하면, 원자는 핵을 중심으로 하나 또는 여러 전자가 궤도를 도는 구조이며, 이는 태양 주위를 도는 지구와 비슷합니다.

양자 역학 규칙에 따라, 전자는 미리 정해진 에너지 레벨에서만 핵 주위를 “궤도”할 수 있습니다. 전자가 높은 에너지 레벨에서 낮은 레벨로 이동할 때, 초과 에너지는 빛의 형태로 방출됩니다.

저에너지 빛은 스펙트럼의 “빨강 쪽”에 위치하고, 고에너지 빛은 스펙트럼의 청색 쪽에 위치합니다.

출처: Online Learning College

LED 기본

원자가 빛을 방출하는 이 능력은 근본적인 물리학에서 비롯되며, LED 다이오드의 기본 원리입니다. 실제로는 몇 가지 더 구체적인 특성이 필요합니다.

LED 다이오드를 만들기 위해서는 먼저 전류를 통과시키거나 차단할 수 있는 반도체 재료가 필요합니다(따라서 “반(半)도체”라는 명칭이 붙습니다).

그 다음 두 종류의 반도체를 결합해야 합니다:

전자를 내보낼 수 있는 반도체는 “n형”이라고도 합니다.
전자를 받아들일 여유가 있는 반도체는 “p형”이라고도 합니다.

LED에 사용되는 반도체 조합은 “밴드갭”을 가지고 있으며, 두 재료 사이에 상당한 에너지 잠재력 차이가 존재합니다.

전자가 한 반도체에서 다른 반도체로 이동할 때, 방출되는 에너지가 우리가 원하는 빛이 됩니다.

출처: BYJUS

초기 LED 시스템은 두 종류의 반도체 사이에 매우 작은 에너지 차이를 가지고 있어 적외선 저에너지 빛이 방출되었습니다. 과학자와 전자 기업은 이 에너지 차이를 어느 정도 늘리는 방법을 찾아냈고, 그 결과 빨강, 노랑, 초록색의 가시광 LED가 탄생했습니다.

이러한 개선의 핵심은 기존 순수 반도체 재료에 다른 원소를 “도핑”하여 성능을 향상시킨 것이었습니다.

출처: Wikipedia by VectorVoyager

하지만 이 방법만으로는 수십 년 동안 청색광을 방출할 수 있는 고에너지 밴드갭을 만들기에 충분하지 않았습니다.

청색 LED 다이오드로 가는 험난한 길

질화 갈륨 – 까다로운 기적 물질

빨강 및 초록 LED에 사용되는 갈륨 비소(1.42 eV)와 갈륨 인화물(2.26 eV) 같은 저에너지 LED 재료의 밴드갭은 청색광에 필요한 2.6~3.4 eV에 미치지 못했습니다.

대안으로 질화 갈륨(3.37 eV)이 발견되었습니다. 질화 갈륨을 이용해 청색 LED를 만들면 좋은 아이디어처럼 보였지만, 실제로 구현하는 것은 거의 불가능에 가까웠습니다.

출처: Britannica

첫 번째 장벽은 질화 갈륨 결정이 자라날 표면을 준비하는 방법이 없었다는 점이었습니다. 또한 질화 갈륨의 p형 층을 만드는 방법도 알려지지 않았습니다. 많은 연구자들이 청색광을 위한 기능성 LED 시스템으로 질화 갈륨을 전환하려고 시도했지만 실패했습니다. 여기서 2014년 노벨상 수상자 세 명이 등장합니다.

다각도에서 청색 LED 해결

1986년, 이사무 아카사키와 히로시 아마노는 사파이어 기판 위에 알루미늄 질화물 층을 깔고 그 위에 질화 갈륨 결정을 성장시키는 방법을 최초로 찾아냈습니다.

그들은 몇 년 뒤 p형 층을 만들었고, 1992년에 최초의 밝은 청색 LED 프로토타입을 완성했습니다.

동시에, 나카무라 슈지는 1988년에 청색 LED 개발을 시작했습니다. 그는 먼저 낮은 온도에서 얇은 질화 갈륨 층을 성장시키고, 이후 높은 온도에서 추가 층을 성장시키는 자체적인 방법을 발견했습니다.

질화 갈륨에 대한 진정한 이해

아카사키와 아마노의 p형 층은 주사 전자 현미경(SEM)의 전자빔에 노출시켜 최적화되었습니다.

나카무라는 전자 현미경이 작동하는 이론적 배경을 파악했습니다: 전자빔이 수소 원자를 제거해 p형 층 형성을 방해하고 있었습니다. 그는 더 간단하고 저렴한 방법, 즉 재료를 제어된 가열을 통해 같은 결과를 얻는 방법을 고안했습니다.

두 연구팀은 청색 LED 설계를 점점 더 고도화하고 복잡하게 만들면서, 알루미늄이나 인듐을 첨가한 다양한 질화 갈륨 합금을 개발했습니다. 이는 반도체를 도핑해 빛 출력과 효율을 크게 높이는 효과가 있었습니다.

출처: Nobel Prize

그들은 또한 청색 레이저를 발명했습니다. 청색 빛의 파장이 다른 색보다 훨씬 짧아 적외선보다 4배 이상의 정보를 담을 수 있어 블루레이 디스크의 기반이 되었습니다.

청색 LED 빛의 성과

더 적은 전기로 더 많은 빛

청색 LED 덕분에 백색광을 만들 수 있게 되었으며, 이는 대부분의 전구와 형광등을 LED로 대체할 수 있게 했습니다. 특히 LED는 전구보다 20배, 백열등보다 4배 효율적입니다.

출처: Nobel Prize

전력 소비의 1/4^th가 조명에 사용되므로, 이는 전 세계 에너지 소비를 크게 절감하는 효과를 가집니다.

또한 소형 태양광 패널이나 기타 대체 에너지원을 이용해 원격지나 저소득 지역에서도 전력 공급이 가능해져, 생산성 향상과 교육 수준 개선에 기여합니다.

맞춤형 색상

백색 LED 외에도 빨강, 초록, 청색 LED를 조합하면 가시 스펙트럼의 모든 색을 만들 수 있습니다. 이는 특수 용도 LED를 다양한 분야에 적용할 수 있게 합니다.

청색 LED와 맞춤형 색상의 주요 적용 사례는 TV, 컴퓨터, 스마트폰용 LED 화면이며, 빨강/초록/청색 비율의 미세한 변동이 픽셀 단위로 정확한 색을 표시합니다.

예를 들어, 식물은 광합성에 녹색빛을 사용하지 않으므로 실내 재배용 LED는 빨강과 청색만 사용해 온실 재배의 전력 소비를 크게 최적화하고, 수경재배와 도시 농업 혁신을 가능하게 합니다. 언젠가는 우주 또는 화성에서 식량을 재배하는 것도 가능해질지도 모릅니다.

출처: Agritecture

자외선 LED

청색 LED의 초기 개발 이후 추가적인 개선을 통해 자외선(C‑UV) 빛을 방출하는 강력한 시스템이 가능해졌습니다.

이 UV‑C LED는 캠핑 장비부터 수백만 명이 거주하는 대도시의 상수도까지, 모든 규모에서 물을 정화하는 데 사용할 수 있습니다. 또한 병원 등에서 공기 중 병원균을 죽이고 표면을 살균하는 데도 활용됩니다.

블루레이와 청색 레이저

앞서 언급했듯이, 청색 레이저를 기반으로 한 블루레이 및 기타 고밀도 데이터 저장 기술은 청색 LED 없이는 존재할 수 없었습니다. 높은 데이터 밀도는 광통신에서도 유용하며, 특히 대역폭이 필요할 때 큰 장점을 제공합니다.

청색 레이저는 또한 “고반사 금속 가공에 이상적인 광원”으로, 절단 및 용접 등 다양한 산업 분야에서 큰 이점을 제공합니다.

청색 레이저는 이제 후두 수술에도 사용되며, 445 nm 파장의 높은 에너지와 헤모글로빈의 흡수 특성 덕분에 혈관을 정밀하게 응고시킬 수 있습니다.

LED 조명을 넘어선 질화 갈륨

청색 LED 조명은 대규모 생산과 질화 갈륨 결정 연구를 촉진하는 전체 산업을 만들었습니다. 이는 전자 설계에 혁신을 일으킬 가능성을 가지고 있으며, 질화 갈륨이 “전력 전자 분야의 차세대 핵심 기술”이라고 불리게 했습니다.

질화 갈륨은 실리콘 기반 전계효과 트랜지스터(FET)보다 훨씬 높은 온도와 전압에서 작동할 수 있습니다. 따라서 5G 기지국, 트랜지스터, 소형 전자 기기, 그리고 에너지 소비가 급증하는 AI 컴퓨팅에도 활용될 수 있습니다.

이 모든 응용 분야는 대규모 생산 경제와 청색 LED 산업이 만든 방대한 지식 없이는 불가능했을 것입니다.

청색 LED 기업

나카무라 관련 기업

나카무라는 니치아(Nichia)에서 청색 LED를 개발했습니다. 1989년 경영진 교체 후, 회사는 나카무라에게 프로젝트를 중단하라고 명령했지만 그는 이를 따르지 않았습니다. 이는 회사에 좋은 소식이었으며, 1993년부터 2001년까지 매출이 4배로 성장했고, 전체 매출의 60%가 청색 LED에서 나왔습니다.

(TM )

나카무라는 1999년에 니치아를 떠났으며, 이후 기술 소유권을 둘러싼 복잡한 소송에 휘말렸습니다. 이 소송에는 나카무라, 니치아, 그리고 미국 경쟁사 크리(Cree)가 포함되었습니다. 최종적으로 나카무라는 니치아와 8억 4천만 엔(≈8.1 백만 달러) 합의금을 지불했습니다.

그는 2008년에 Soraa를 설립했으며, 이 회사는 청색 LED를 판매하는 비상장 기업으로 2020년에 Ecosense에 인수되었습니다.

2022년에 나카무라는 Blue Laser Fusion을 공동 설립했으며, 이는 상업용 핵융합 기업입니다. 이 회사는 메가줄 펄스 에너지 레이저와 빠른 반복률을 이용해 상업용 융합을 목표로 하고 있으며, 2025년에 첫 프로토타입을 완성하고 2030년까지 상업용 융합 반응기를 시연할 계획입니다.

Blue Laser Fusion은 토요타 자동차와 기타 투자자가 지원하는 Mirai Creation Fund의 지원을 받고 있습니다.

Soraa/Ecosense와 니치아(니치아스 – NICFF)와 같은 비상장 기업과 함께, 투자자들은 현대 전자, 통신, 의료, 제조, 농업 등 다양한 분야에서 혁신의 기반이 된 청색 LED 제조업체들을 살펴봐야 합니다.